基于USB的数据采集系统的设计与研究

　　1引 言

　　数据采集作为获取信息的手段，越来越多的应用在各种工业系统中。目前数据采集系统多以PCI，ISA或。

　　EPP／ECP等完成数据的传输，这些方式开发调试比较困难，安装不便，通用性和可移植性差；而且PC上的插槽数量、地址、中断资源的有限导致这些方式的可扩展性差［1］。目前广泛应用的USB总线接口具有安装方便、高带宽、易于扩展等优点，USB 2．O的传输速率可达到480 Mb／s，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势之一［2］。

　　2 EZ-USB FX2以及CY7C68013的特点

　　本文选择C2ypress公司LISB接口芯片CY7C268013(56一pin)，该芯片属于EZ-IJSB FX2系列。Cypress EZ-USBFX2是世界上款USB 2．O集成微控制器［3］。其在1个芯片上集成了USB收发器(USB Transceiver)，串行接口引擎(Serial Interface Engine，SIE)，CPU(增强型8051微控制器)和一个通用可编程GPIF接口(General ProgrammableInterface，GPIF)。集成的LISB收发器通过USB电缆的D+和D一线连接到主机，串行接口引擎(SIE)进行数据的编码和解码、完成错误校验、位填充和其他USB需要的信号级任务。

　　终，SIE传输来自或将要到达USB接口的数据。FX2的SIE可以在全速(12 Mb／s)和高速(480 Mb／s)两种速率下运行。为了适应USB 2．O增加的带宽，FX2端点FIFO(First In FirstOut)和Slave FIFO(同外部逻辑或处理器连接的缓冲区)组合在一起，这样可以节省内部数据之间的传送所消耗的时间。CPU是具有快速的执行时间和更多特点的增强型8051，他把内部RAM用作程序和数据存储。

　　CY7C68013有以下主要特征：

　　(1)软件。8051从到内部RAM的程序开始运行，这个特征允许固件程序通过主机到芯片内部RAM中，从而方便了调试和固件的改写。

　　(2)四个可编程。BULK／INTERRUPT／ISOCHRO一NOUS端点，可以是双缓冲区，三缓冲区或者四缓冲区，这样可以根据外部数据的速率调整缓冲区的宽度和深度，以适应不同的需要。

　　(3)GPIF。允许直接连接到大多数并行接口：8位和16位；由可编程波形述符和配置寄存器来定义波形；支持多个Ready(RDY)输入和Control(CTL)输出。

　　(4)3．3 V。电压供电，减小了控制器的功耗。

　　3数据采集系统的硬件设计

　　本系统主要由模数部分、通信部分和电源转换3个部分组成。整个数据采集系统完成对信号的采集、传输和存储。图1为本采集系统结构框图。

　　主要工作流程：经过调理的模拟信号经过模／数转换器(ADC0804)转换为数字信号；USB2．O控制器负责把ADC转换后得到的数据读取到其内部FIFO缓冲区，由程序判断ADC的转换结束；中断信号决定ADC上的数据是否有效。PC的用户应用程序发出接收数据的请求，并由设备发出相应的响应决定是否开始传输数据。当系统上电后，系统自动识别设备后加载驱动程序，USB控制器的固件程序通过USB电缆从主机自动到其内部程序RAM中，并经过列举和重列举后开始正常工作，计算机可以通过用户软件取得系统的各种配置信息。USB控制器以GPIF(通用可编程接口)Master模式控制数据采集和读取，并通过CY7C68013 GPIF的"波形图"控制ADC的采集和读取数据的时序。

　　3．1 USB控制器外围电路设计

　　USB控制器及其外围电路组成了系统的数据读取和传输模块，这部分主要负责读取和传输ADC转换后的数据，并负责与PC机的通信，从而完成这个系统的功能。由于CY7C68013把多重功能都集成到一个片子上，所以外部电路显得不是很复杂，与一般的电路比较，减少了电路复杂的外部数据线和信号线的连接，有利于提高整个系统的可靠性［4］。LISB控制器部分外围电路原理图如图2所示。

　　CY7C68013用自己的片内晶振电路和一个外部24 MHz晶振组成系统的时钟电路。他有一个片内锁相环(PLL)电路，利用PLL可以把24 MHz振荡器频率倍频至480 MHz供收发器使用。内部计数器把24 MHz的频率分频为内部8051需要的默认的12 MHz的时钟频率。XTALIN和XTALOUT分别为晶振的输入和输出引脚，分别与晶振相连，同时，晶振的两个引脚分别通过一个20～33 pF的负载电容接地。DMINUS和DPLUS为USB的D+，D一信号线，分别和LISB连接器的相应引脚相接。LJSB连接器上的VBUS和GND为总线电源线，整个系统的所需要的各种电压都是通过该电源转换而得到。SCL和SDA分别为I2C总线的时钟线和数据线，在本设计中，系统的固件程序采取从主机的方法。因此，这里无需连接外部E2PROM，这两个引脚要分别通过一个2．2 Ω的电阻连接到电源引脚VCC上。RESERVED引脚为芯片的保留引脚，通过一个2．2 Ω接地。

　　RESET引脚为芯片的复位引脚。该引脚有一个滞后作用并且低电平有效。因为内部锁相环在VCC升至3．3 V后大约200 μs保持稳定，所以，RESET引脚所连接的外部RC网络要取适当的值来满足这个需要，典型的取值为：R-100 kΩ，C=0．1μF。wAKEUP为唤醒引脚，在805l和芯片的其他部分为低功耗状态时，USB系统挂起，PLL和晶振停止工作，当外部逻辑触发wAKEUP，晶振重新工作之后，PLL趋于稳定，同时，8051也会收到一个唤醒中断。RDY0，CTLO，CTL1引脚分别和对应ADC及其外围电路的接口相连，FD[15：0]分别和ADC的对应数据线连接。

　　3．2 A／D采样通道设计

　　本文采用的是CY7C68013的GPIF工作模式，因此直接利用了GPIF的16位并行接口，这样每次可以按字(2个8位)读取数据。考虑到ADC0804的廉价，并且省去了连接多路选择器和其相关的控制接口电路等因素，提高系统的可靠性，利用2片AI)C0804同时与GPIF接口相连接，避免了利用多路开关时的所需的转换时间m56,在程序部分，也省去了选择模拟信号通道部分。

　　3．3 电源电路设计

　　在本设计中，需要3种大小不同的供电电源，除了ADC0804需要的+5 V供电电源外，还有CY7C68013需要的+3．3 V的供电电源，模数转换器ADC0804需要的+2．5 V的基准电压电源。由于整个系统可以使用总线电源供电，不需要外加电源，因此需要把+5 V的总线电源转换为系统各个部分所需的电源。+3．3 V电源是CY7C68013所需芯片供电电压。设计中，选用的是MAxIM公司的电源转换芯片MAX882n 0，连接电路如图3所示。

　　模／数转换器需要外部提供基准电压，ADC0804需要+2．5 V电压，而且基准电压是否稳定、，直接影响数据转换的。而NationalSemiconductor公司的LM336-2．5 V是一个能提供+2．5 V电压的器件，他的集成电路是的2．5 V并联推挽稳压二极管组成，还有一个用来调节温度对电压影响的引脚ADJ。芯片所产生的2．5 V的电压可以很方便的从5 V电压系统中获得。

　　4数据采集系统的软件设计

　　该数据采集系统的软件系统主要由3部分组成：USB固件程序(Firmware)、I_JSB设备驱动程序以及客户应用程序。3部分程序之间相互协作来完成整个采集卡的功能。

　　4．1 固件程序设计

　　固件程序是指运行在设备CPU中的程序。只有在该程序运行时，外设才能称之为具有给定功能的外部设备。固件程序负责初始化各硬件单元，重新配置设备及A／D采样控制。固件代码的存储位置有3种：种是存在主机中，设备加电后由驱动程序把固件到片内RAM后执行，即"重新枚举"；第二种方法是把固件代码固化到一片E2PRAM中，外设加电后由FX2通过I21C总线到片内RAM后自动执行；一种方法是把程序固化到一片R()M中，使之充当外部程序存储器，连在FX2三总线上。本文选用种方式，这种方式便于系统的调试和升级。

　　Cypress公司为CY7C68013提供了一个开发框架，可以在KEILC51环境下开发。由于开发框架的引入，大大缩短了用户的研发周期。该框架由以下几部分组成：

　　(1)Fw．C中包含了程序框架的MAIN函数，管理整个51内核的运行，因为CypreSS对这个部分的功能进行了精心划分，一般是不用改动的。

　　(2)用户必须将PERIP H．C实例化，他负责系统周边器件的互联。固件的设计主要针对这个文件，用户必须根据自己系统的需要，实例化这个文件，以实现自己的功能。在这个文件中有几个函数是比较关键的，在这里做特别说明：

　　TD Init函数，负责对USB端点进行初始化设置。本设计中将端点6设置为1 024个字节，缓存深度为4级，模式设为自动输入方式。

　　TD Poll函数，负责系统中循环任务的处理。他主要是对各个端点的状态进行查询，处理各种OUT或IN端点的交互。值得说明的一点是，这种处理只是辅助性质的，大部分工作由硬件自动完成。

　　GPIFINIT．C，其中只有一个Gpiflnit函数；他是GPIF模块的初始化函数，一般在TD Init函数中调用。这个函数是由Cypress公司提供的一个GPIF、Designer开发工具根据用户设计的波形生成的，用户不需要自己设计波形查询表，减轻了设计者的工作强度。DSCR．A51是描述表文件，负责LISB设备的描述工作，CY7C68013在上电后自动利用其中的VID和PID取代默认的VID和PID。

　　4．2驱动程序的编写

　　数据采集系统的设备驱动程序和应用程序都是设备的主机端程序。设备驱动程序是硬件和应用程序之间的桥梁，通过驱动程序，应用程序可以对硬件进行控制。该系统需要2个驱动程序，即通用驱动和固件的驱动。通用驱动完成与外设和用户程序的通信及控制；而固件的驱动则只负责在外设连接LISB总线后把特定的固件程序到FX2的RAM中，使FX2的CPU重启，模拟断开与USB总线的连接，完成对外设的重新设置。主机根据新的设置安装通用驱动程序，重新枚举外设为一个新的USB设备。

　　在本系统的驱动程序开发中，使用的开发工具是Jun-go公司的winDriver，他支持多种操作系统。winDriver开发的优点是用户不需要了解操作系统内部的具体工作机理，同时也不需要了解各个系统DDK(Developing orDebugging in Kernel)的开发工具，用户只需使用winDriv-er提供的开发平台，即可完成驱动程序的设计工作，剩下的底层细节由winDrivei内核统一处理。从而降低了对开发者编程能力的要求，同时也大大缩短了开发周期。下面就使用winDriver开发驱动程序的步骤做简要说明：

　　启动winDrivet。的Dri veiwizard工具；利用Driver--wizard检测硬件是否正常；在Driverwizard中选择所使用的开发环境，这里使用VC++6．0开发环境，并生成驱动程序代码；对生成的代码进行修改，使其符合系统的需要；在winDrivet环境的用户模式下，调试驱动程序；如果程序需要内核访问以提高驱动程序的效率，进入内核开发。

　　4．3 用户程序的编写

　　用户程序是系统与用户的接口，他通过通用驱动程序完成对外设的控制和通信。在编写用户程序时，首先要建立与外设的连接，然后才能实施数据的传输。启动采样后，为了保证不丢失数据，用户程序应该建立一个工作线程专门获取外设传来的数据。程序中主要用到2个API函数：CreateFile()和DeviceloControl()。CreateFile()取得设备句柄后，DeviceloControl()根据该句柄完成数据传输。程序框图如图5所示。

　　5 结 语

　　本文系统地介绍了基于USB接口的数据采集系统，完成了软硬件的设计工作。数据采集系统具有20 kS／s的采样速率，8位分辨率，采样小于1％，输入范围为一5～+5 V。在本数据采集系统的设计中，CY7C68013芯片灵活的接口和可编程特性简化了外部硬件的设计，提高了系统的可靠性，也利于PCB板的制作与调试。基于USB 2．0的数据采集卡可以即插即用，弥补了传统采集板卡插拔困难的不足。随着时代的进步，技术的发展，USB必将在更广阔的领域得到更深层次的运用。

  

参考文献:

[1]. PCI datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCI_1201469.html.
[2]. CY7C68013 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CY7C68013_1054335.html.
[3]. BULK datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/BULK_2523104.html.
[4]. 805l datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/805l_2246002.html.
[5]. ADC0804 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ADC0804_122972.html.
[6]. MAxIM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAxIM_1062568.html.
[7]. LM336-2 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LM336-2_1082497.html.
[8]. A51 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/A51_1823359.html.
[9]. PCB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.